VLIV PŘÍMĚSÍ V OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORECH PRO HYBRIDNÍ ELEKTRICKÁ VOZIDLA

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROTECHNOLOGIE FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY

VLIV PŘÍMĚSÍ V OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORECH PRO HYBRIDNÍ ELEKTRICKÁ VOZIDLA. INFLUENCE ADMIXTURE IN LEAD-ACID BATTERY FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

MAREK SVOBODA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2009

Ing. RADEK BILKO

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektrotechnologie

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Mikroelektronika a technologie Student: Ročník:

Marek Svoboda 3

ID: 72881 Akademický rok: 2008/2009

NÁZEV TÉMATU:

Vliv příměsí v olověných akumulátorech pro hybridní elektrická vozidla. POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Prostudujte problematiku olověných akumulátorů. Seznamte se s dosavadním automatickým měřicím pracovištěm. U testovaných článků sledujte U, I, E, Rk a Rm. Vyhodnoťte změny sledovaných veličin s ohledem na optimalizaci životnosti akumulátoru. DOPORUČENÁ LITERATURA: Podle pokynů vedoucího práce. Termín zadání:

9.2.2009

Vedoucí práce:

Ing. Radek Bilko

Termín odevzdání:

3.6.2009

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práve třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.

LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a příjmení:

Marek Svoboda

Bytem:

Havanská 2810/5, 39005, Tábor

Narozen/a (datum a místo):

30.7.1986, Tábor

(dále jen "autor") a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií se sídlem Údolní 244/53, 60200 Brno 2 jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (dále jen "nabyvatel")

Článek 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce bakalářská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ......................................................... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP:

Vliv příměsí v olověných akumulátorech pro hybridní elektrická vozidla.

Vedoucí/školitel VŠKP:

Ing. Radek Bilko

Ústav:

Ústav elektrotechnologie

Datum obhajoby VŠKP: ......................................................... VŠKP odevzdal autor nabyvateli v: tištěné formě

- počet exemplářů 2

elektronické formě

- počet exemplářů 2

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění.

4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti ihned po uzavření této smlouvy 1 rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona.

Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami.

V Brně dne: ............................................................

............................................................

............................................................

Nabyvatel

Autor

ABSTRAKT: Olověné akumulátory v hybridních elektrických vozidlech (HEV) pracují v režimu PSoC (Partial State of Charge). Právě v tomto režimu dochází k novým mechanizmům poruch. Tyto mechanizmy jsou dávány do souvislosti s nevratnou sulfatací především záporných elektrod. Úkolem výzkumu je, aby sulfatace záporné elektrody již nebyla limitujícím faktorem životnosti článku a zlepšení životnosti olovených akumulátorů plánovaných pro použití v HEV.

ABSTRACT: Lead-acid batteries of hybrid electric vehicles (HEV) are functioning in PSoC regime (Partial State of Charge). In PSoC regime new fail mechanisms occure. These mechanisms usually lead to nonreversible sulphation of negative electrodes. Main aim of this research is to avoid negative electrode sulphation and to improve lifetime of lead-acid accumulators used in HEV.

KLÍČOVÁ SLOVA: hybridní elektrické vozidlo, olovený akumulátor, ventilem řízený olovený akumulátor, stav částečného nabití, předčasná ztráta kapacity

KEY WORDS: hybrid electric vehicles, lead-acid accumulator, valve regulated lead acid batteries, partial state of charge, premature capacity loss

Bibliografická citace mé práce: SVOBODA, M. Vliv příměsí v olověných akumulátorech pro hybridní elektrická vozidla.. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 38 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Radek Bilko.

Prohlášení autora o původnosti díla: Prohlašuji, že jsem tuto vysokoškolskou kvalifikační práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce, s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 3. 6. 2009

………………………………….

Poděkování: Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Radku Bilkovi za metodické a cíleně orientované vedení při plnění úkolů realizovaných během řešení semestrálního projektu a bakalářské práce. Dále děkuji doc. Ing. Petru Bačovi, Ph.D.a Ing. Pavlovi Abrahamovi za poskytnuté odborné rady. Rád bych také poděkoval mým rodičům za podporu během studia.

V Brně dne 3. 6. 2009

………………………………….

Obsah 1 2 3

Úvod ..................................................................................................................................8 Vozidla na elektrický pohon..............................................................................................9 Hybridní vozidla..............................................................................................................10 3.1 Dva koncepty hybridních vozidel:............................................................................10 4 Elektrochemické zdroje ...................................................................................................12 4.1 Primární články ........................................................................................................12 4.2 Sekundární články ....................................................................................................13 4.3 Palivové články ........................................................................................................14 5 Olověné akumulátory ......................................................................................................15 5.1 Rozdělení olověných akumulátorů podle použití .....................................................15 5.1.1 Startovací baterie ..............................................................................................15 5.1.2 Trakční baterie..................................................................................................16 5.1.3 Staniční baterie .................................................................................................16 5.2 Rozdělení olověných akumulátorů podle technologie..............................................16 5.2.1 Konvenční akumulátory ...................................................................................16 5.2.2 Spirálové baterie ...............................................................................................17 5.2.3 VRLA článek....................................................................................................17 5.2.4 Gelové baterie...................................................................................................17 5.2.5 AGM baterie .....................................................................................................18 5.3 Princip činnosti .........................................................................................................18 5.4 Konstrukce................................................................................................................20 5.4.1 Elektrody ..........................................................................................................20 5.4.2 Separátory.........................................................................................................20 5.4.3 Elektrolyt ..........................................................................................................21 5.4.4 Akumulátorové nádoby a víka..........................................................................21 5.5 Degradační mechanizmy VRLA baterií ..................................................................22 5.5.1 Degradační mechanizmy při režimu PSoC.......................................................22 5.5.2 Problematika PCL (předčasná ztráta kapacity) ................................................22 6 Popis experimentálních článků........................................................................................23 7 Metodika měření pracovního režimu akumulátorů v HEV .............................................24 7.1 Automatizované měřící pracoviště pro pracovní režim olověných akumulátorů v hybridních elektrických vozidlech ....................................................................................25 8 Rozdílová metoda měření odporu kontaktní vrstvy kolektor - aktivní hmota................26 8.1 Automatizované měřící pracoviště pro měření odporu kontaktní vrstvy kolektor aktivní hmota ........................................................................................................................28 9 Sledování vlivu příměsí na vlastnosti záporných elektrod v režimu PSOC v hermetizovaném stavu ...........................................................................................................29 9.1 Experiment: PSoC cyklování....................................................................................30 9.2 Experiment: měření odporu kontaktní vrstvy kolektor - aktivní hmota ...................33 9.3 Experiment: Snímky získané z elektronového environmentálního rastrovacího mikroskopu ...........................................................................................................................34 10 Závěr................................................................................................................................37 11 Seznam použitých zdrojů.................................................................................................38

-7-

1 Úvod Trendem dnešní doby je snižování využití fosilních paliv a s tím související snížení produkce znečištění. Velký podíl na vzniku znečištění ovzduší mají automobily. Patrné je to především ve velkých městech, kde je znečištění ovzduší způsobené automobilizmem největší. Dalším důvodem pro hledání alternativních zdrojů pohonu je zmenšování zásob ropy a neustále rostoucí cena pohonných hmot. Jedno z možných řešení výše popsaných problémů je použití hybridních a elektrických vozidel. Širšímu rozšíření elektrických vozidel prozatím brání jejich vysoká cena a malý dojezd. Vysoká cena je důsledek produkce menších sérií oproti verzím se spalovacím motorem. Hybridní elektrická vozidla (HEV) zachovávají výhody benzínových a naftových motorů, jako je dlouhý dojezd a odstraňují jejich nedostatky použitím elektromotoru. V závislosti na okolnostech jízdy se využívá buď spalovací motor nebo elektromotor. Akumulátory využívané v hybridních vozidlech se za jízdy průběžně dobíjejí, proto jsou menší než akumulátory využívané v elektromobilech. Hybridní elektrická vozidla jsou vhodný mezikrok při transformaci automobilového průmyslu. Poskytují čas na restrukturalizaci dopravní infrastruktury, především na stavbu sítě dobíjecích stanic, které by umožnily masové rozšíření elektromobilů. Jako systém pro uchování energie lze použít, mimo jiné, olověný akumulátor. Akumulátory pro hybridní elektrická vozidla musí pracovat tak, aby byly schopny nabíjet se například při rekuperačním brzdění. Proto je používán režim částečného nabití (Partial State of Charge, PSOC), kdy je akumulátor nabit přibližně z 50% a přijímání elektrického náboje je velmi efektivní i při vysokém nabíjecím proudu. V režimu částečného nabití ale dochází k nežádoucím jevům, které se projevují ztrátou kapacity a ztrátou nabíjecí schopnosti. Tyto jevy jsou označovány jako PCL. Jednou z možností jak předejít nežádoucím jevům je nalezení nových příměsí do aktivních hmot olověných akumulátorů. Problematika optimalizace záporné aktivní hmoty je cílem této práce.

-8-

2 Vozidla na elektrický pohon Myšlenka využití elektromotoru v automobilech není nová. První automobily na elektrický pohon se začaly vyrábět již ve druhé polovině 19. století. Umožnily to převratné objevy v oblasti elektřiny a magnetizmu. Michael Faraday popsal princip elektromagnetické indukce a umožnil tak konstrukci elektromotorů, první funkční elektromotor byl sestaven roku 1833 Thomasem Davenportem. Gaston Platné vytvořil roku 1859 první prakticky použitelný olověný akumulátor. V počátcích automobilizmu elektromobily směle konkurovaly parním i spalovacím motorům. Camille Jenatzy v roce 1899 překonal v elektromobilu (viz obrázek č.1) vlastní konstrukce jako první rychlost 100km/h. Na počátku 20. století byly elektromobily v USA rozšířenější než vozidla se spalovacími motory. Doba největšího rozšíření elektromobilů trvala přibližně do roku 1940, ale se zdokonalením spalovacích motorů význam elektromobilů velmi rychle upadal. Teprve na počátku 90. let 20 století se myšlenka elektromobilu opět stává aktuální, především díky snaze o šetření fosilních paliv. Začínají se také vyvíjet vozidla kombinující elektrický a spalovací motor. [1] Jako zajímavost lze uvést Švýcarské obce Braunwald, Gimmelwald, Mürren, Niederrickenbach, Riederalp, Saas Fee, Stoos, Wengen BE a Zermatt, kde je dovolen pouze provoz elektromobilů. Toto opatření je zde zavedeno především kvůli ochraně životního prostředí. Další důvod je ten, že v okolí je několik vodních elektráren, které dodávají levnou elektrickou energii.

Obr. 1: Camille Jenatzy v elektromobilu vlastní konstrukce.

-9-

Obr. 2: Hansa-Lloyd Elektromobil CL5 nebo DL5, 1923

3 Hybridní vozidla Hybridní pohon je označení pro kombinaci několika zdrojů energie pro pohon vozidla. Hybridní pohon využívá především výhod jednotlivých pohonů při různých režimech jízdy. Nejvíce je využíván hybridní pohon kombinující spalovací motor a elektromotor. Elektromotor má nízkou hlučnost, žádné výfukové zplodiny a vysokou účinnost, nevýhodou je vyšší hmotnost bateriového systému. Spalovací motor umožňuje velký dojezd. Vozidlo je také vybaveno generátorem, který v době, kdy je spalovací motor méně zatížen (například při brzdění nebo volnoběhu), nabíjí akumulátor. Elektromotor poté tuto energii uloženou v akumulátoru spotřebovává (například pomáhá spalovacímu motoru při akceleraci, popřípadě sám pohání vozidlo). Akumulátor v hybridním elektrickém vozidle musí pracovat v režimu částečného nabití (PSoC), aby byl schopen akumulovat vytvářenou elektrickou energii. Nabití se pohybuje přibližně kolem 50%, při tomto stavu nabití jsou schopny akumulátory nabíjet se velmi efektivně i velkým nabíjecím proudem např. z rekuperačního brzdění. [2]

3.1

Dva koncepty hybridních vozidel:

paralelní: vychází z klasického uspořádání vozidla. Spalovací motor je přes převodovku připojen na kola. Na stejné hřídeli je navíc uložen motorgenerátor, ten je připojen na akumulátor a podle potřeby se chová jako motor nebo jako generátor a odstraňuje výkonové špičky spalovacího motoru.

- 10 -

sériový: spalovací motor pohání pouze generátor, který vyrábí elektrickou energii. Kola jsou napojena na hnací motorgenerátor, který spotřebovává energii vyrobenou generátorem, popřípadě energii při brzdění také vyrábí. Přebytky energie jsou ukládány do akumulátoru.

Obr. 3: Schéma sériového a hybridního pohonu Příkladem sériově vyráběných hybridních automobilů jsou: Toyota Prius, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Ford Escape Hybrid, Nissan Altima Hybrid, Toyota Highlander Hybrid, Lexus RX 400h, Mercury Mariner Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid, Lexus LS 600h L. [3] Další velké automobilky jako Mercedes, Nissan nebo Volkswagen plánují výrobu vlastního hybridního automobilu. [4] [5] [6]

Obr. 4: Řez hybridním motorem firmy Toyota (paralelní pohon)

- 11 -

Obr. 5: Závodní hybridní automobil Honda Civic hybrid (paralelní pohon)

Obr. 6: Nákladní hybridní automobil Liebherr T 282 B (sériový pohon)

4 Elektrochemické zdroje 4.1

Primární články

Jako primární články se označují elektrochemické zdroje, které obsahují omezené množství aktivních materiálů účastnících se chemických reakcí. Po proběhnutí těchto elektrochemických reakcí články ztrácejí svoji funkci. Produkty reakcí nelze vnějším elektrickým proudem převést zpět v aktivní materiály. Bylo vyvinuto značné množství typů primárních článků. Řada z nich se však neosvědčila ať už z ekonomických, provozních či ekologických příčin. V současné době se vyrábí především: články na bázi C - Zn, alkalické články s MnO2, články na bázi Hg - Zn, články na bázi Ag - Zn, články na bázi Zn - vzduch, články na bázi Hg - Cd, články na bázi Mg - MnO2. [7]

- 12 -

Přehled používaných primárních článků

Tab. 1: systém C - Zn Zn - MnO2 Hg - Zn Ag - Zn Zn-vzduch Hg-Cd Mg - MnO2

katoda MnO2 MnO2 HgO Ag2O O2 HgO MnO2

anoda Zn Zn Zn Zn Zn Cd Mg

elektrolyt NH4Cl, ZnCl2 KOH, NaOH KOH, NaOH KOH KOH, NaOH KOH MgCl2, LiCr

Un (V) 1.50 1.50 1.35 1.60 1.40 0.91 2.00

Obr. 7: Primární články Duracell

4.2

Sekundární články Sekundární články lze opakovaně dobíjet. Stejně jako primární články mají i sekundární

články omezený počet aktivních materiálů. Chemické reakce, které v sekundárním článku probíhají, jsou vratné, lze je vnějším elektrickým proudem převést zpět na aktivní materiály. Reakce, které v článcích probíhají, mají často účinnost blížící se 100%. Je nutné provádět odstávky na dobíjení. Jedno nabití a vybití se nazývá cyklus. Počet cyklů je jedním z hlavních parametrů nabíjecích článků, stejně tak jako nabíjecí proud, nabíjecí doba a samovybíjení. Mezi běžně používané sekundární baterie patří: olověné akumulátory, akumulátory založené na systému Ni - Cd, Ni - Fe nebo Ni - Zn, baterie na bázi NiMH, baterie na bázi Li - ion a Li - pol, baterie na bázi Zn - O2, alkalické akumulátory na bázi MnO2, baterie na bázi Ag - Zn, baterie na bázi Br - Zn, baterie na bázi Ni – H2, baterie na bázi Na - S, baterie na bázi Na – metalchlorid. [7]

- 13 -

Tab. 2: systém Ni - Cd Ni - MH Pb Li - ion Li - pol MnO2

Přehled nejčastěji používaných sekundárních článků [7] Životnost – do 80 % kapacity (cyklů) 1,500 300-500 200-300 500-1,000 300-500 50 (do 50 %)

Napětí na článek (V) 1.25 1.25 2 3.6 3.6 1.5

Obr. 8: Sekundární články

4.3

Palivové články

Palivový článek je elektrochemický zdroj, probíhá v něm tzv. studené spalování paliva za vzniku elektrického proudu. Princip spočívá v kontinuálním dodávání paliva ke katodě a okysličovadla k anodě. Mezi anodou a katodou je elektrolyt. Na rozdíl od primárních a sekundárních článků, kde se reakcí účastní elektrody, v palivovém článku slouží elektrody jako katalyzátory a neopotřebovávají se. V článku se spotřebovává palivo a okysličovadlo. Jako palivo se využívá vodík, methan, methanol nebo kyselina mravenčí. Jako okysličovadlo se využívá především kyslík nebo peroxid vodíku. Elektrody jsou zhotoveny z kovu nebo uhlíkových nanotrubiček a potaženy nejčastěji platinou nebo paladiem. Jako elektrolyt mohou sloužit kyseliny (kyselina trihydrogen fosforečná) nebo zásady (hydroxid draselný). Palivové články mají využití především v kosmickém programu. Palivovými články byly vybaveny lodě Apollo a jsou jimi vybaveny i současné raketoplány. Využití mají ale i v hybridních automobilech nebo jako alternativní zdroj k notebookům. [8]

- 14 -

Obr. 9: Schéma vodíkového palivového článku

5 Olověné akumulátory První prakticky použitelný olověný akumulátor sestavil v druhé polovině 19. století Gaston Planté. Od té doby se zvládly všechny technologické postupy výroby. Olověný akumulátor má proti ostatním sekundárním zdrojům celou řadu výhod. Patří mezi ně nízká cena, dostupnost olova, spolehlivost, vysoké jmenovité napětí, vysoký výkon, vysoká elektrochemická účinnost, velká životnost a možnost recyklace všech použitých materiálů. V současné době olověné akumulátory představují ve světovém měřítku asi 60% všech prodaných baterií a tím se stávají nejpoužívanějšími sekundárními zdroji elektrické energie. [7]

5.1

Rozdělení olověných akumulátorů podle použití 5.1.1 Startovací baterie

Startovací baterie jsou určeny pro startování spalovacích motorů a k napájení jejich příslušenství. Hlavním požadavkem na startovací baterii je schopnost poskytovat krátkodobě (během startování) velké proudy a velká kapacita pro malé vybíjecí proudy. Po spotřebování části energie se baterie dobíjí alternátorem. Akumulátor je vhodné udržovat v nabitém stavu, plně nabitý akumulátor nezamrzne ani při -40°C, zatímco vybitý zamrzne těsně pod bodem mrazu a vzniklý led poškozuje elektrody. Pokud nedojde k fyzickému poškození, tak životnost baterie je při správném používání 4 – 6 let. 12V olověné baterie pro osobní automobily se vyrábějí s kapacitou mezi 30 a 100Ah. [9]

- 15 -

5.1.2 Trakční baterie Trakční baterie se využívají pro pohon elektrických vozidel. Konstrukce je zaměřena na maximální životnost v provozu. Rozlišujeme akumulátory pro malou a velkou trakci. Akumulátory pro malou trakci mají kapacitu 12 – 180 Ah a napětí 6 – 12V. Využívají se především v golfových a invalidních vozících, elektrických skútrech, elektromobilech a elektrických člunech. Pro velkou trakci se vyrábějí články o kapacitách do 1500Ah s napětím 2V. Využívají se například u lokomotiv. [9]

5.1.3 Staniční baterie Staniční baterie slouží jako zdroj nouzového napájení při přerušení dodávky elektřiny z rozvodné sítě. Je nutné, aby byly spolehlivé a měly dlouhou životnost v provozu trvalého dobíjení. Vyrábějí se v širokém rozsahu kapacit od relativně malých článků pro UPS aplikace, až po články určené pro záložní napájení celých objektů s kapacitou dosahující až 20000Ah. Životnost je podle konstrukce i více jak 15 let. [9]

Obr. 10:

5.2

Startovací baterie, trakční baterie a staniční baterie

Rozdělení olověných akumulátorů podle technologie 5.2.1 Konvenční akumulátory

Konvenční akumulátory se zaplavenými elektrodami jsou všechny konstrukce akumulátorů, které mají elektrody ponořené do elektrolytu. Hladina elektrolytu nesmí klesnout na úroveň horních okrajů elektrod, aby nedošlo k poškození článků. Dodávají se s elektrolytem nebo v suchém stavu bez elektrolytu. Akumulátory dodávané s elektrolytem se mohou okamžitě používat. Nevýhodou je nemožnost dlouhodobého skladování, kdy se samovybíjením a následnou nevratnou sulfatací mohou znehodnotit. Akumulátory dodávané bez elektrolytu lze dlouhodobě skladovat (v suchých prostorech se stálou teplotou), ale před použitím se musí naplnit elektrolytem a dobít.

- 16 -

Otevřený článek není opatřen víkem a plyny vznikající při reakcích mohou volně unikat. Nevýhodu představují úniky aerosolu do ovzduší.

5.2.2 Spirálové baterie Spirálové elektrody mají elektrody spirálovitě stočené. Separátor je udržován pod vysokou kompresí, to umožňuje dosažení velkého výkonu a dlouhé životnosti. Plocha elektrod je mnohem větší než u baterie s plochými deskami.

5.2.3 VRLA článek VRLA akumulátor (z anglického Valve Regulated Lead Acid batteries) je bezúdržbový článek s regulačním ventilem , česky nazývaný rekombinační nebo hermetizovaný. Má nádobu vybavenou přetlakovým ventilem. Dosáhne-li plyn předem definovaného tlaku, umožní ventil jeho upuštění. Ventil je nesnímatelný, tudíž do článku není nutné doplňovat elektrolyt. VRLA akumulátory neobsahují elektrolyt v kapalném skupenství, proto mohou pracovat v libovolné poloze. Pro výrobu elektrod se používá olovo legované vápníkem, aby se snížila elektrolýza vody na kyslík a vodík. V článku probíhá účinná rekombinace vodíku a kyslíku zpět na vodu. Akumulátory řízené ventilem se vyrábějí jako gelové nebo AGM. [7]

Obr. 11:

Bezúdržbové VRLA baterie

5.2.4 Gelové baterie Gelové baterie obsahují činidlo, které vytváří z elektrolytu gel. Gelatizační činidlo je oxid křemičitý SiO2 s velkým povrchem. Pracují na stejném principu jako konvenční akumulátory. [7]

- 17 -

5.2.5 AGM baterie AGM články (z anglického Absorbed Glass Mat) jsou baterie s elektrolytem nasáklým ve skelné tkanině, která je mezi elektrodami. [7]

5.3

Princip činnosti Ponoří-li se dvě olověné destičky do zředěné kyseliny sírové, začnou probíhat následující

děje: v roztoku H 2 O jsou disociovány molekuly kyseliny sírové H 2 SO 4 na anionty SO 24− , HSO −4 a kationty H + . Z olověných destiček se uvolňují kationty olova Pb 2+ a destičky samotné tak získávají stejný záporný náboj. V blízkosti destiček se kationty olova a aniony SO 24− slučují na síran olovnatý PbSO 4 a na obou destičkách se vytvoří jeho vrstva. Výsledné elektrické napětí článku je nulové, získali jsme nenabitý článek. Po připojení stejnosměrného napětí k oběma olověným destičkám začnou v článku probíhat následující reakce. Na záporné elektrodě probíhají reakce:

PbSO4 + 2e − → Pb + SO42−

(1)

PbSO4 + H + + 2e − → Pb + HSO4−

(2)

Na kladné elektrodě probíhají reakce:

PbSO4 + 2 H 2 O → PbO2 + SO42− + 4 H + + 2e −

(3)

PbSO4 + 2 H 2 O → PbO2 + HSO42− + 3H + + 2e −

(4)

Celková nabíjecí reakce akumulátoru je:

2 PbSO4 + 2 H 2 O → Pb + PbO2 + 2 H 2 SO4

(5)

Při nabíjení se v roztoku vytvářejí další molekuly kyseliny sírové a elektrolyt houstne. Po ukončení nabíjení vznikne článek, jehož záporná elektroda je potažena vrstvou houbovitého šedého olova a kladná elektroda je potažena vrstvou červenohnědého oxidu olovičitého PbO 2 . Napětí takového článku je přibližně 2V. Vybíjecí reakce jsou přesně opačné než nabíjecí. Při vybíjení se snižuje hustota elektrolytu a na obou elektrodách vzniká síran olovičitý PbSO 4 .

- 18 -

Na záporné elektrodě probíhají reakce: Pb + SO42− → PbSO4 + 2e −

(6)

Pb + HSO4− → PbSO4 + H + + 2e −

(7)

Na kladné elektrodě probíhají reakce: PbO2 + SO42− + 4 H + + 2e − → PbSO4 + 2 H 2 O

(8)

PbO2 + HSO42− + 3H + + 2e − → PbSO4 + 2 H 2 O

(9)

Celková vybíjecí reakce akumulátoru je:

Pb + PbO2 + 2 H 2 SO4 → 2 PbSO4 + 2 H 2 O

Obr. 12:

(10)

Schéma principu činnosti olověného akumulátoru:

Popis k obrázku č.12: 1.ve vybitém stavu jsou obě desky pokryty vrstvou síranu olovnatého 2. chemické procesy během nabíjení 3. v nabitém stavu je záporná elektroda pokryta olovem, kladná elektroda oxidem olovičitým 4. chemické pochody během vybíjení

- 19 -

5.4

Konstrukce 5.4.1 Elektrody Elektrody jsou tvořeny nosnou mřížkou a na mřížce napastovanou aktivní hmotou.

Mřížka musí být dostatečně mechanicky odolná. Mřížky bývají vyrobeny ze slitiny olova, především Pb – Ca nebo Pb – Sn s příměsí aditiv Sn, Cd, Se. Záporné elektrody se vytvářejí především jako mřížkové odléváním, válcováním nebo tažením z pásu. Mřížky jsou různých tvarů: vodorovné, svislé, šikmé, paprskové. Kladné elektrody jsou více namáhány chemickými reakcemi, mají kratší životnost než elektrody záporné a proto limitují životnost akumulátoru. Vyrábějí se různé konstrukce kladných elektrod: Velkopovrchové elektrody se odlévají z čistého olova, mají tloušťku 7 – 12 mm. Na povrchu se elektrochemicky vytvoří vrstva oxidu olovičitého. Mřížkové elektrody se zhotovují odléváním z olova, které je legováno antimonem. Mřížkové elektrody mají řadu výhod: snadnou výrobu, malou hmotnost, objem a nízkou cenu. Nevýhodou je nízká životnost. Aktivní materiál je na mřížku přichycen ve formě pasty. Do pasty se také přidávají příměsi pro zvýšení životnosti baterií. Trubkové elektrody mají dlouho životnost. Jsou sestaveny z olověného hřebene, jehož trny jsou zasunuty v trubicích z textilních vláken odolných kyselině sírové. Tyčové elektrody jsou podobné mřížkovým elektrodám, svislá žebra jsou zesílena do tvaru tyček. Dalším typem elektrod jsou bipolární elektrody. Tyto elektrody jsou zvláštní tím, že z jedné strany mají kladnou aktivní hmotu a z druhé strany zápornou aktivní hmotu. Elektrolyt každého článku musí být od sousedního dokonale oddělen. Toto oddělení je ovšem technologicky náročné, proto se bipolární elektrody příliš nevyužívají. Pasty pro aktivní hmoty elektrod se vytvářejí míšením olověného prachu s kyselinou sírovou a dalšími přísadami. Přesné složení a výrobní postup past je výrobním tajemstvím jednotlivých výrobců.

5.4.2 Separátory Separátory se umísťují do mezielektrodových prostor. Mechanicky oddělují elektrody, zabraňují tak náhodnému dotyku elektrod, tvorbě vodivých můstků. Podpírají aktivní hmotu a zabraňují jejímu vypadávání. Nebrání však volnému přístupu elektrolytu k elektrodám.

- 20 -

Papírové separátory se vyrábějí z vláken celulózy impregnované vhodnou pryskyřicí pro zvýšení životnosti. Výhodou je nízká cena, nevýhodou kratší životnost. Mikroporézní separátory se zhotovují z PVC, pryže nebo polyethylenu. Mají malé póry, které neumožňují průchod částic kovů. Separátory ze skelných vláken se využívají společně s mikroporézními pro zvýšení doby životnosti separátoru. Ve VRLA akumulátorech se používají samostatně a kromě funkce oddělovací mají také funkci rezervoáru elektrolytu.

5.4.3 Elektrolyt Elektrolytem je vodný roztok kyseliny sírové. Změnou koncentrace a hustoty elektrolytu lze výrazně ovlivnit životnost akumulátoru. Někdy se využívá také elektrolyt ve formě gelu nebo nasáklý v separátoru.

5.4.4 Akumulátorové nádoby a víka Pro menší akumulátory se vyrábějí nádoby s několika články, konstruované jako monoblok, akumulátory větších kapacit se vyrábějí jako jednočlánkové. Každý článek má v nejnižší části nádoby prostor, aby kal vznikající při reakcích nezkratoval elektrody a shromažďoval se v tomto prostoru. Nad kalovým prostorem jsou umístěny elektrody a nad nimi je vyznačena minimální a maximální hladina elektrolytu. V nejvyšší části nádoby je prostor pro plyny vznikající elektrolýzou vody v elektrolytu. Nádoba musí snést namáhání způsobené vnitřním tlakem vznikajících plynů. Musí být také dostatečně odolná proti působení vnějších vlivů, které mohou vzniknout během používání. Musí oddělit vnitřní prostor článku od vnějšího prostředí a tím zamezit znečištění elektrolytu a zároveň zamezit únik aerosolu elektrolytu . Nejčastěji používaným materiálem je polypropylen, PVC a různé pryskyřice. Dříve v hojné míře využívaná pryž se nahrazuje průsvitnými nebo průhlednými materiály, které umožňují vizuální kontrolu baterie. Víka se utěsňují zalitím asfaltovou hmotou nebo přilepením. Elektrické vývody se zatavují nebo utěsňují speciálními těsněními. Zároveň jsou víka opatřena mechanizmy, které umožňují únik vznikajících plynů. Jedná se o různé konstrukce zátek nebo přetlakových ventilů.

- 21 -

Obr. 13:

5.5

schéma startovací autobaterie

Degradační mechanizmy VRLA baterií 5.5.1 Degradační mechanizmy při režimu PSoC

Akumulátory VRLA, které jsou používány v hybridních automobilech, pracují v režimu PSoC, kdy jsou nabity v rozmezí 50 – 60 % maximální kapacity. Tento stav umožňuje efektivní přijímání náboje. Jakmile se stav nabití přiblíží 90% tak se schopnost přijímat náboj snižuje. V režimu PSoC trpí olověné akumulátory sulfátováním záporných elektrod. Sulfatace spočívá v přeměně jemně zrnitého síranu olovnatého na větší krystaly síranu olovnatého. Sulfatace je nevratný proces. [2]

5.5.2 Problematika PCL (předčasná ztráta kapacity) PCL-1 efekt je způsoben vytvořením pasivační vrstvy na rozhraní mřížky a aktivní hmoty. Článek ztrácí schopnost se nabíjet již po několika desítkách cyklech. Tento problém ovšem vyřešily nové slitiny Pb-Ca-Sn.

- 22 -

PCL-2 efekt se vyskytuje v kladné aktivní hmotě, kde dochází k izolaci vzájemně spojených částeček PbO2, které následně nevratně sulfatují. V důsledku tohoto efektu poklesne životnost VRLA článku na 100-200 cyklů. Tento problém je možné odstranit vyšší kompresí desek a použitím separátorů s nižší pružností, prospěšný účinek mají také soli cínu. PCL-3 efekt je spojován s nedostatečným nabíjením. Nastává, když při nabíjení dosahuje kyslíkový cyklus vysokých rychlostí a celý nabíjecí proud je převeden na teplo. Tento efekt je často doprovázen zvýšenou sulfatací spodních částí záporných elektrod. V současné době je tento efekt považován za hlavní příčinu selhání VRLA baterií. [7]. Problematika PCL je velmi složitá. Snahou je vývoj bezúdržbových akumulátorů, které by mohly konkurovat ostatním elektrochemickým zdrojům. Na tomto výzkumu se podílí několik pracovišť po celém světě, mezi nimi i pracoviště elektrochemických zdrojů ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně.

6 Popis experimentálních článků Pro měření se používá elektroda s nespojitým systémem rovnoběžných žeber. Kolektor je tvořen deseti vzájemně paralelními žebry, získanými z průmyslově vyráběných kolektorů firmy AKUMA Mladá Boleslav, a.s. Dvě krajní jsou silnější nosná a zároveň slouží jako proudový kontakt. Ostatních osm žeber má jak proudové tak i napěťové kontakty a slouží k měření kontaktního odporu a odporu aktivní hmoty. Všechna žebra jsou vyrobena z mřížky pro startovací akumulátor, tato mřížka je tvořena slitinou Pb s obsahem 0,2% Ca a 0,5% Sn. Žebra jsou fixována ve svých polohách dvěma pruhy epoxidové pryskyřice. V prostřední části žeber je nanesena aktivní hmota, ve formě pasty průmyslově vyráběné firmou AKUMA Mladá Boleslav, a.s. s různým obsahem příměsí. Měřící systém se skládá ze tří elektrod. Jedné záporné měřící, která je umístěna mezi dvěmi kladnými protielektrodami. Kladné elektrody jsou vyrobeny z průmyslově vyráběných pozitivních elektrod firmy AKUMA Mladá Boleslav, a.s. Mezi elektrodami je separátor ze skelných vláken G089GB056 firmy Hollingsworth & Vose (89 g/m2, tl. 0,56 mm). Jako elektrolyt je použita H2SO4 1,28 g/cm3 .

- 23 -

Obr. 14:

Obr. 15:

fotografie kladné a záporné elektrody

záporná měřící elektroda se systémem nespojitých rovnoběžných žeber

7 Metodika měření pracovního režimu akumulátorů v HEV Na našem pracovišti se snažíme napodobit pracovní režim olověných akumulátorů v hybridních automobilech. Využíváme cyklovaní režim Power Assist podle metodiky ALABC (Advanced Lead Acid Baterry Consorcium), který byl upraven pro použití v naší laboratoři. DOBA STARTU – vybíjení 25 sekund DOBA KLIDU – klid po dobu 3 sekund REKUPERAČNÍ BRZDĚNÍ – nabíjení 25 sekund FÁZE ZASTAVENÍ – klid po dobu 3 sekund

- 24 -

7.1

Automatizované měřící pracoviště pro pracovní režim olověných akumulátorů v hybridních elektrických vozidlech

K dlouhodobému sledování vlastností experimentálních elektrod olověných akumulátorů, bylo vyvinuto automatizované měřící pracoviště. To umožňuje zaznamenávat s dostatečnou přesností celé měření a automatické cyklování pokusných elektrod. Sestavené automatizované měřící pracoviště umožňuje automatické měření a zápis napětí a proudů. NE Edimax Switch 8x10/100 Palmtop PC

Agilent N6700B Olověný akumulátor ( článek )

Obr. 16:

Obr. 17:

Agilent 34980A

Zjednodušené celkové zapojení měřícího pracoviště

Fotografie měřícího pracoviště a měřícího článku

- 25 -

8 Rozdílová metoda měření odporu kontaktní vrstvy kolektor - aktivní hmota Tato metoda je určena pro měření odporu kontaktní vrstvy kolektor – aktivní hmota. Můžeme měřit kontaktní odpory Rk korozní vrstvy kolektor – aktivní hmota a odpory Rm aktivní hmoty.

Obr. 18: náhradní schéma elektrody s nespojitým systémem rovnoběžných žeber popis k obrázku č. 18: Rmi-i+1 vyjadřuje odpor aktivního materiálu mezi žebry, Rki je kontaktní odpor i-tého žebra a Rpi je odpor přívodu i-tého žebra

Obr. 19:

Kolektor se systémem nespojitých rovnoběžných žeber

- 26 -

Při měření se nejdříve zjistí odpory přívodů Rpi. Odpory přívodů všech žeber se zjišťují ještě před nanesením aktivní hmoty. Odpor přívodu daného žebra tedy můžeme určit tímto vztahem: R p = R1 +

R3 3

; [Ω]

(11)

Tento odpor se zjistí ohmovou metodou (viz obrázek č.19), kdy se proud přivádí jedním pólem na proudový kontakt – bod A a druhým pólem do bodu E na konci žebra. Potom se mezi bodem B (napěťový kontakt) a body C a E změří úbytek napětí. Ze změřeného napětí a proudu, který přivádíme, vypočítáme odpovídající odpory. Snímány jsou tedy odpory R1 v úseku B – C a odpor R2 v úseku B – E. Z těchto dvou snímaných odporů lze vypočítat odpor R3 . R3 = R2 − R1

; [Ω]

(12)

Z výše uvedeného vztahu určíme ze zjištěných odporů R1 a R3 odpor přívodu Rp.

Další měření, které již vede ke stanovení kontaktních odporů (Rk) korozní vrstvy kolektor – aktivní hmota a odporů aktivní hmoty (Rm), probíhá pro každé žebro ve třech krocích.

Pro měření libovolného žebra i (č. 2 až 8) ve směru → je:

Krok 1: Měřící proud teče žebrem i a žebrem i+2. Napětí U1 se snímá mezi žebry i a i+1. Pro toto napětí pak z náhradního schématu můžeme napsat:

U 1 = I ( R pi + Rki + Rmi ,i +1 )

; [V]; i = 2, 3,..., 8

(13)

Krok 2: Měřící proud o stejné velikosti jako v kroku 1. se připojí mezi žebrem i-1 a žebrem i+2. Napětí U2 se snímá mezi žebry i a i+1 a jeho velikost pak je: U 2 = I ⋅ Rmi ,i +1

; [V]; i = 2, 3,..., 8

- 27 -

(14)

Krok 3: Měřící proud je shodný jako v kroku 1. a 2. a zůstává připojen k žebrům i-1 a i+2. Napětí U3 se snímá z bočníku, který slouží ke stanovení velikosti měřícího proudu I. Vzorec pro kontaktní odpor Rk daného žebra je potom: Rk =

(U 1 − U 2 ) ⋅ RB − Rp U3

; [Ω]

(15)

Kde RP je odpor přívodu daného žebra a RB je odpor bočníku. Odpor aktivní hmoty Rm pak je:

Rm =

U 2 ⋅ RB U3

; [Ω]

(16)

Měření kteréhokoliv žebra č. 3 až 9 ve směru ← je obdobné jen s tím rozdílem, že:

Krok 1: Proud se připojí mezi žebrem i a žebrem i-2. Napětí U1 se měří mezi žebry i a i-1.

Krok 2: Proud připojen k žebrům i+1 a i-2. Napětí U2 měří mezi žebry i a i-1.

Krok 3: Proud připojujeme k žebrům i+1 a i-2. Tyto tři po sobě jdoucí kroky se opakují pro měření každého žebra v obou směrech, takže všechna žebra elektrody změříme po 42 krocích.

8.1

Automatizované měřící pracoviště pro měření odporu kontaktní vrstvy kolektor - aktivní hmota Navržené pracoviště změří hodnoty kontaktních odporů a odporů aktivní hmoty s dobrou

reprodukovatelností měření. Tímto měřením lze pozorovat změny měřených veličin (Rk a Rm) v závislosti na počtu nabíjecích a vybíjecích cyklech, stáří a vlastnostech elektrody.

- 28 -

Obr. 20:

Zjednodušené celkové zapojení měřícího pracoviště

9 Sledování vlivu příměsí na vlastnosti záporných elektrod v režimu PSOC v hermetizovaném stavu V předchozích experimentech [10] bylo zjištěno, že nejlepší vliv na užitné vlastnosti záporných elektrod v olověných akumulátorech v režimu PSoC mají příměsi o velikosti zrna přibližně 4µm. Proto i v dalších experimentech použijeme látky s přibližně stejnou velikostí zrn. Při experimentu bylo použito 3 sad záporných elektrod lišících se množstvím a typem příměsí: •

1%C (typ CR2996 fy. Maziva Týn spol. s.r.o., prům. velikost zrn cca 4 µm, měrný povrch cca 13 m2/g)

•

1%TiO2 (velikost zrn 1 – 3 µm, výrobce Lach-Ner a.s.)

•

Bez příměsí

- 29 -

9.1

Experiment: PSoC cyklování

Sestavené články byly umístěny do hermeticky uzavíratelných nádob a byl nalit elektrolyt. Na článcích byla provedena formace. Poté byly stále ještě v zaplaveném stavu podrobeny čtyřem náběhovým cyklům a po nich byl odebrán přebytečný elektrolyt, který byl nasáknut pouze v separátorech. Před každým experimentem PSoC cyklování byly články vybíjeny na 50 % kapacity z předchozího náběhového cyklu. Poté byly články cyklovány až do okamžiku, kdy napětí na konci vybíjení pokleslo pod 1,6V. Pak byly články podrobeny opět náběhovému cyklování. Formování článků: Před formací byly ponechány hodinu v bezproudém stavu. Formační cyklus: 4 hodiny nabíjeny proudem 0,2 A a 2 hodiny stání v bezproudovém stavu, celkem 72 hodin nabíjení a 36 hodin stání v bezproudovém stavu. Režim náběhového cyklování: vybíjení proudem 0,7 A do konečného napětí 1,6V, nabíjení konstantním proudem 0,7 A s napěťovým omezením 2,45 V po dobu 8 hodin, t.j. 2 cykly denně. Cyklovací režim: Power Assist, podle metodiky ALABC, upravený pro použití v naší laboratoři: nabíjení 25s proudem 2,5A – stání 3s – vybíjení 25s proudem 2,5A – stání 3s.

Během prvního PSoC cyklování (obrázek č.21) bylo provedeno cca 15000 cyklů. Je pravděpodobné, že během tohoto cyklování stále ještě nebyla aktivní hmota plně zformována. Články byly po experimentu cyklovány několika náběhovými cykly. V druhém PSoC cyklování (obrázek č.22) dosahují články s příměsí 1%C a 1% TiO2 výrazně vyššího počtu cyklů oproti článku bez příměsí. Je pravděpodobné že již došlo k proformování záporné aktivní hmoty. Po provedeném experimentu jsme opět články podrobili několika náběhovým cyklům. Ve třetím PSoC cyklování (obrázek č.23) dosahují články s příměsí 1%C a 1% TiO2 opět vyššího počtu cyklů oproti článku bez příměsí. Aktivní hmota už je plně proformována a vliv příměsí se projevuje na životnosti elektrod. Je pravděpodobné, že příměsi uhlíku a oxidu titaničitého v aktivní hmotě záporných elektrod působí pozitivně. Jak je vidět ze souhrnného grafu (obrázek č.24) všech tří PSoC běhů, tak články s příměsí 1%C a 1% TiO2 dosahují takřka dvojnásobné životnosti oproti článku bez příměsí. Předpokládáme, že příměsi přidané do aktivní hmoty zmenšují sulfataci záporných elektrod. Tím zabraňují předčasné ztrátě kapacity a prodlužují životnost elektrod.

- 30 -

Lze předpokládat, že princip pozitivního vlivu aditiva v záporné aktivní hmotě ve VRLA článcích je založen na mechanickém působení, kdy zřejmě zvyšuje množství zárodečných center, na kterých dochází při vybíjení ke krystalizaci PbSO4. Množství a velikost krystalů PbSO4 v objemu aktivní hmoty je pak rovnoměrnější a zvyšuje se množství aktivní hmoty, kterou lze využít pro vybíjení/nabíjení.

2,1

U [V] 2

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

číslo cyklu 1% C

Obr. 21:

1% TiO2

bez příměsi

První PSoC běh hermetizovaný stav. Závislost napětí na konci nabíjení na počtu cyklů. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi.

- 31 -

2,1

U [V] 2

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

číslo cyklu 1% C

Obr. 22:

1% TiO2

bez příměsi

Druhý PSoC běh hermetizovaný stav. Závislost napětí na konci nabíjení na počtu cyklů. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi.

2,1

U [V] 2

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

číslo cyklu 1% C

Obr. 23:

1% TiO2

bez příměsi

Třetí PSoC běh hermetizovaný stav. Závislost napětí na konci nabíjení na počtu cyklů. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi.

- 32 -

2,1

U [V] 2

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

číslo cyklu 1% C

Obr. 24:

9.2

1% TiO2

bez příměsi

Všechny tři běhy PSoC hermetizovaný stav. Závislost napětí na konci nabíjení na počtu cyklů. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi.

Experiment: měření odporu kontaktní vrstvy kolektor - aktivní hmota

Po každém PSoC cyklu byl u elektrod změřen kontaktní odpor vrstvy kolektor – aktivní hmota a odpor aktivní hmoty. Jak je vidět z tabulky č.3, tak odpor kontaktní vrstvy kolektor – aktivní hmota se během experimentu mění pouze nepatrně. To je způsobeno pravděpodobně tím, že tato vrstva se tolik neúčastní reakcí během nabíjení a vybíjení olověného akumulátoru. Závislost odporu aktivní hmoty, viz tabulka č.4, se během životnosti článku postupně mírně zvyšuje. Je pravděpodobné, že zvyšování odporu aktivní hmoty způsobují nerozpustné sírany, jejichž množství se s každým PSoC během zvyšuje. Předpokládáme, že ke změnám aktivní hmoty dochází v povrchových vrstvách. Změny odporu povrchových vrstev elektrody naší měřící metodou nejsme schopni zachytit. Naše metoda odráží pouze stav vnitřních vrstev aktivního materiálu a částí blízko žeber pokusné elektrody, které se během experimentů příliš nemění.

- 33 -

Závislost odporu kontaktní vrstvy kolektor – aktivní hmota Rk na

Tab. 3:

PSoC běhu. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi. Rk [MΩ] po 1. PSoC běhu po 2. PSoC běhu po 3. PSoC běhu C

0,381

0,425

0,321

TiO2

0,87

0,891

0,95

bez příměsí

0,675

0,745

0,724

Tab. 4:

Závislost odporu aktivní hmoty Rm na PSoC běhu. Porovnání aditiv C, TiO2, bez příměsi. Rm [MΩ] po 1. PSoC běhu po 2. PSoC běhu po 3. PSoC běhu

9.3

C

0,484

0,529

0,803

TiO2

0,536

0,671

1,218

bez příměsí

0,564

0,65

0,681

Experiment: Snímky získané z elektronového environmentálního rastrovacího mikroskopu

Snímky z elektronového rastrovacího mikroskopu dávají představu o tom, jaká je struktura aktivní hmoty záporných elektrod a jak se tato struktura mění během života elektrod. Před pořízením snímků bylo provedeno nabíjení článků proudem 0,7A po dobu 24 hodin s napěťovým omezením 2,45V pro odstranění vratných sulfátů z aktivní hmoty. Poté byly elektrody vyprány v destilované vodě a vlhké dány na pozorování na elektronový enviromentální rastrovací mikroskop. Zároveň byl zjištěn chemickou analýzou obsah síranů ve vzorku aktivní hmoty.

- 34 -

Obr. 25:

Elektroda s příměsí 1% TiO2 po 10 000 cyklech

Obr. 26:

Elektroda s příměsí 1% TiO2 na konci PSoC běhu

Obr. 27:

Elektroda s příměsí 1%C po 10 000 cyklech

Obr. 28:

Elektroda s příměsí 1%C na konci PSoC běhu

- 35 -

Obr. 29:

Elektroda bez příměsí po 10 000 cyklech

Obr. 30:

Elektroda bez příměsí na konci PSoC běhu

Obrázky č.25, č.27, č.29 jsou pořízeny po 10 000 cyklech PSoC běhu. Obrázky č.26, č.28 a č. 30 jsou pořízeny na konci PSoC běhu. Je patrné, že články po 10 000 cyklech mají jemnozrnnou strukturu v porovnání se snímky na konci PSoC běhu. To potvrzuje, že životnost olověných akumulátorů závisí na struktuře aktivní hmoty záporných elektrod. Zároveň je patrné, že elektrody s příměsmi 1% C a 1% TiO2 mají po 10 000 cyklech jemnozrnnější strukturu než elektroda bez příměsí. Z toho vyplývá, že příměsi zabraňují sulfataci záporné hmoty elektrod. Tab. 5:

Obsah síranů v záporné aktivní hmotě 10 000 cyklů PSoC běhu

Na konci PSoC běhu

TiO2

14,7%PbSO4

37,6% PbSO4

Bez příměsi

35,8%PbSO4

37,1% PbSO4

C

8,4%PbSO4

45,4%PbSO4

Z tabulky č.5 je patrné, že obsah síranů vzniklých nevratnou sulfatací záporné aktivní hmoty je u elektrod s příměsí 1%C a 1% TiO2 po 10 000 cyklech výrazně nižší než u elektrody bez příměsí. Na konci PSoC běhu obsah těchto síranů výrazně narůstá. To potvrzuje, že sírany vzniklé nevratnou sulfatací jsou limitujícím faktorem životnosti olověných akumulátorů.

- 36 -

10 Závěr Během doby co jsem navštěvoval pracoviště elektrochemických zdrojů na Ústavu elektrotechnologie jsem se seznámil s problematikou VRLA baterií používaných v režimu PSoC v hybridních elektrických vozidlech. Za pomoci vedoucího práce jsem se seznámil s měřící metodou a automatizovaným pracovištěm. Společně s ostatními členy laboratoře jsem vyrobil několik elektrod se systémem rovnoběžných nespojitých žeber, které se používají během námi prováděných experimentů. Současně jsem se podílel na přípravě experimentu. Hlavním cílem práce bylo najít a otestovat aditiva přidaná do aktivní hmoty záporných elektrod, které prodlouží životnost akumulátorů v režimu PSoC. Hlavní příčinou selhání akumulátorů je nevratná sulfatace aktivní hmoty záporné elektrody a s ní spojená změna povrchové struktury, kde dochází k nárůstu množství a velikosti zrn síranu olovnatého. Námi provedené experimenty nasvědčují, že přidaná aditiva uhlík a oxid titaničitý působí pozitivně na životnost olověného akumulátoru. Tato aditiva působí z největší pravděpodobností tak, že zabraňují chemickým změnám povrchové struktury záporné aktivní hmoty. Nízká elektrická vodivost oxidu titaničitého nemá pozorovatelný vliv na životnost akumulátoru. Zároveň se výrazně neprojevila změna odporu kolektor – aktivní hmota. Z toho lze usoudit, že vodivost příměsí nemá vliv na životnost olověného akumulátoru v režimu PSoC. Během experimentu jsme dokázali, že uhlík a oxid titaničitý mají ekvivalentní účinek na životnost elektrod. Je zde možnost nahradit grafit oxidem titaničitým v záporných elektrodách operujících v PSoC režimu. Výhody tohoto aditiva jsou v tom, že je dostupné v dostatečně velkém množství a není příliš drahé. Výzkum v této problematice ještě není ukončen. V současné době probíhají experimenty s dalšími příměsmi. Zároveň se začínají zkoumat vlivy teploty a tlaku na životnost akumulátoru v PSoC režimu. Mechanizmus sulfatace záporné elektrody, který je spojen s PCL-3 efektem není ještě zcela objasněn, nicméně je zřejmé, že je možné ho potlačit přidáním aditiv. Přesná role aditiv a hledání optimálního typu i množství bude předmětem dalších výzkumů, které by v konečném důsledku měly vést k výrobě bezúdržbového olověného akumulátoru vhodného pro použití v hybridních elektrických vozidlech.

- 37 -

11 Seznam použitých zdrojů [1]

Wikipedia [online]. 2009 [cit. 2009-02-10]. Dostupný z WWW: .

[2]

BILKO, R. Vliv aditiv záporné aktivní hmoty na životnost, vnitřní odpor a další parametry olověného akumulátoru: diplomová práce. Brno: VUT FEKT, 2006. 54s.

[3]

MSN [online]. 2009 [cit. 2009-03-11]. Dostupný z WWW: .

[4]

AktualniNet [online]. 2008 [cit. 2008-10-13]. Dostupný z WWW: .

[5]

HORČÍK, Jan. Hybrid.cz [online]. 2006 [cit. 2008-11-15]. Dostupný z WWW: .

[6]

AktualniNet [online]. 2008 [cit. 2008-10-13]. Dostupný z WWW: < http://www.aktualninet.cz/volkswagen-ma-hybridni-golf-do-vyroby-je-ale-daleko-fb-1423-13403.html >.

[7]

VANĚK, J.; KŘIVÁK, P.; NOVÁK, V.. Alternativní zdroje energie [online]. Brno: FEKT VUT, 2006. Dostupný z WWW .

[8]

Wikipedia [online]. 2008 [cit. 2008-10-06]. Dostupný z WWW: .

[9]

Banner Batterien [online]. 2007 [cit. 2008-10-07]. .

Dostupný

z

WWW:

[10] BAČA, P. Studium složek vnitřního odporu kladné elektrody s důrazem na identifikaci procesů způsobujících předčasnou ztrátu kapacity olověných akumulátorů, Teze disertační práce VUT FEKT Brno, 2000

- 38 -